德瑞克說碳金融》第二十七講 :削峰填谷 運籌帷幄–談談智能電網遭遇的挑戰

德瑞克說碳金融》第二十七講 :削峰填谷 運籌帷幄–談談智能電網遭遇的挑戰

大家好,我是德瑞克,我對氣候變遷議題下的碳金融有高度興趣,同時也抱著高度質疑。

(圖片來源:https://pixabay.com/)

上一講,我們提到當越來越多的可再生能源併進電網中時,因為其分佈式與隨機/間歇的特性,將使得現存的電網面臨挑戰,而必須要升級。

電力供給最重要的是穩定與安全,不能少也不要多。面對可再生能源所帶來的變動性,需要將其削峰填谷來達成平穩供應,而電力公司如何運籌帷幄來達成目標,智能電網將是很重要的工具。

電的傳導速度接近光速,因此電力公司的任務,就是零時差地讓所有的發電等於需求。打個比方來說,所有的電力供應跟電力需求,無時無刻都在拔河,而這場拔河,發電端的任務就是要一直維持和局,不贏也不輸,要剛剛好等於需求才行。

(就像《魷魚遊戲》一樣,電網的拔河可不能輸,輸了後果不堪設想。圖片來源:《魷魚遊戲》劇照)

而拔河繩的中間識別輸贏的紅色標誌,就叫做「供電頻率」。

現在電力公司所供應的都是交流電,世界上國家使用的都是50Hz或者60Hz。台灣的交流電頻率是60Hz,美國也是。而歐洲國家跟中國大陸走的則是50Hz的體系。

所謂的60Hz,就是每秒有60個週期,因此會把電力公司的發電機設定為與此相同的轉速。而其他像是太陽能發電、風力發電,或是儲能電池,也都需要透過逆變器(Inverter),將電力轉換成與電網同步的交流電之後才能併進電網裡。也就是電網上所有的發電設備,等效轉速都同步在60Hz的頻率上。

這時如果電網上的用電量增加,相當是負載變大了,發電機要推的東西變重了,就會使得發電機的轉速慢下來,因而使得交流電的頻率下降。頻率下降就代表電網上的電力「供不應求」,拔河繩被用電需求那邊拉過去了!
這時候電力公司就得增加發電,多出一點力把轉速拉回來,讓頻率回到60Hz。

相反地,若是供電頻率上升,則代表電網上的電力「供過於求」,電力公司就會減少發電或是轉進儲存端。

我們來介紹一下發電端的四位拔河隊員,分別是「風」、「光」、「水」與「火」。

(資料來源:https://pixabay.com/)

風,就是風力發電,受季節與地形的影響很大,而且隨機性最強。這位選手很自由,想上場拔河就上去出點力,臨時覺得手痠了,繩子一放人就跑走了,很難預測它的行為,因此要讓它當往後的主力選手,電力公司心裡總是捏一把冷汗。

光,就是太陽能發電。太陽的可預測性比較高一些,可是問題在於只有白天能發電。下圖為2016年10月22日加州實際的數據,灰線為太陽能發電量。我們可以看到,太陽能發電從早上八點開始逐漸增加,直到下午兩三點左右達到高點,然後發電就開始一路減少,直到太陽下山發電歸零。

可是人們在下午五六點下班以後,晚間家庭用電才正要開始啊!開燈、看電視、洗烘衣物、烤箱料裡食物等等,用電需求會一路上升到晚上八九點,直到開始有人陸續入睡,用電才逐步減少,如下圖藍線。

所以藍色線(用電需求),減去灰色線(太陽能發電)之後,剩下來的橘色線,就是電力公司要想辦法去調度其他發電的。

橘色線有個很可愛的名字,叫做鴨子曲線(Duck Curve)。早上七點翹起來的是鴨子的屁股,然後上午八點到下午五點之間凹下去的是鴨子的背部,最後從下午一點一路拉高到下午七點的上升曲線,就是長長的鴨脖子。
東山鴨頭的鴨脖子很可口,但是duck curve的鴨脖子卻是不容易啃。

鴨脖子曲線上升的越陡峭,代表電力公司的挑戰越大,因為代表要在短時間內調度這麼多其他電力,來支撐太陽能少去的部分。

(資料來源:Widipedia)

有人問,那如果多裝一點太陽能板,是不是就可以減緩鴨子曲線?

很不幸地,事實正好相反。如下圖的2012年黑線,逐年到代表2020年的紅線,當太陽能被使用的越多,會讓鴨子更曲線玲瓏。也就意味著,當一個地區的太陽能越普及,電力公司得花更多心力調度電力,才有辦法「削峰填谷」。

講到「削峰填谷」,就得介紹接下來的兩位傳統老將,水與火。

水,是水力發電,有其環境先決條件,要有足夠水量與高低地形落差才能設立。水力發電在電力調度中扮演很重要的腳色,因為它不只可以當「發電方」,也可以當「用電方」。當電力不足時,就從高位放水沖下來,利用水勢帶動發電;而當電力過剩時,則可以用馬達把水從低位抽到高位,把能量儲存起來。

孫子兵法說:「兵無常勢,水無常形」。水的柔軟特性應用在發電上,成為了電網調度上的活棋。

火,是火力發電,雖然因為全球減碳風潮,各國將要逐步降低火力發電的占比。但是火力發電出力穩定,任勞任怨,就像拔河隊上的最後壓陣的那個人一樣。

拔河比賽對於隊伍最後一位的選手,有專屬的名稱叫做錨手。錨手的主要任務就是保持隊伍的穩定,就跟火力發電在電網裡的角色一樣。

所以在台灣2050淨零排放路徑中,到了2050年還是規劃20%~27%的火力發電,只是屆時需要加上CCUS來處理碳排放。

針對CCUS有興趣的讀者,可以參考《德瑞克說碳金融》第二十二講

讓我們用電力拔河隊的概念再想一次,隊上的錨手(火力發電)因為國際趨勢必須減少在場上的重要性,能靈活調度的活棋(水力發電)有其先天環境的限定,不一定每個地方都有。

而兩個新進的主力隊員,一個時間到了就下班(太陽能發電),一個行蹤飄忽不定(風力發電),作為拔河隊領隊的你,面對絕不能輸的比賽,該怎麼辦?

這就是我們需要智能電網的原因。

第一,如果能有更全面的資訊,那麼做起預測與調度,將會更有信心一些。

如下圖,根據國際能源署(IEA)的技術路徑圖,當中提到電力系統的演化。未來我們將有更多的智能電表與感測器來回報即時資訊,產生更多的大數據,使用更多的演算法,建立更廣泛的控制中心。

也就是未來我們將有很多需求,在即時電力量測、物聯網、數據分析、電力控制、儲能等這些技術上。

現在已經有很多機構在整合資源,要將可再生能源的發電預測,各區電力需求預測與互通調度,做即時且視覺化的分析。就像美國國家可再生能源實驗室(NREL)所建立的模型,讓未來的電力調度感覺超酷的!

(資料來源:NREL視覺化能源預測工具)

第二,如果能有完善電力備轉方案,未來大量採用可再生能源將更有信心。

當可再生能源難以預測,或是電力需求有突發狀況時,都會讓電網承受壓力,配置不同反應時間的備載資源,就像同時備有匕首與大關刀,能近身肉搏也能遠距廝殺。

台電的電力輔助服務,就包括了能立即反應的「快速反應備轉」,直到需要半小時來啟動,但是可以持續時間較長的「補充備轉」。能夠因應不同的需求而上場救援。

(資料來源;https://www.find.org.tw/)

總結來看,當電力需求大於供給時,台電的四個備轉方案主要分為三個類別;

第一個是「儲能系統」,這個主題比較大,我們往後將為此專文討論。

第二個是增加電力供給,包括公用與自用發電機組的啟動,這個相對好理解。

第三個是降低電力需求,叫做「需量反應」(Demand Response, 簡稱DR),說明如下。

一般來說,因為企業用戶相較於家庭用戶,用電量大且數量較少,相對容易協商與管理,所以需求反應是與企業用戶合作。

舉全球前十大的電力公司Enel(義大利國家電力公司)為例,企業用戶要參與需求反應的三個必要條件為 (1)至少 1 MW 的可調整電力容量、(2)在收到調度命令後 15 分鐘內要調降使用電力,以及(3)維持降低的用電水準至少連續三個小時。

而需求反應是這樣操作的:電力公司一旦預測電網電力將短缺,就會透過演算法來計算,參與需求反應的企業用戶該降低多少用電,然後通知這些用戶調整用電。而參與需量反應並且實際配合調度用電的企業用戶,事後將會得到電力公司的款項補償。

這一講我們談了現代電網的挑戰,解決的方式包括大數據建立控制模型、備載基本火力發電機組、儲能系統與需求反應。

但是除了靠一己之力之外,與鄰近地區或國家建立互聯電網,互通有無,利用更多的資源來削峰填谷,是世界的大趨勢。下一講,我們來談談國際電網連結。

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